一种光读出非致冷红外成像阵列器件及其制作方法
专利汇可以提供一种光读出非致冷红外成像阵列器件及其制作方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种光读出非 致冷 红外成像阵列器件及其制作方法，其特征在于：由 硅 衬底上一系列 像素 单元组成，每个像素单元的两个锚柱立于硅衬底上， 支撑 像素单元，两条绝热梁一端与锚柱相连接，另一端与“双材料梁－微镜一体化”结构相连接，像素单元与硅衬底之间的间隙构成了红外吸收共振腔；所述阵列器件的制作是首先首先在硅衬底上制作出锚柱，然后根据所选牺牲层 腐蚀 法用而选择是否生长保护层和选择哪种材料作保护层，然后沉积牺牲层材料和制作结构所需材料，制作出像素单元图形后，再腐蚀掉牺牲层材料，进行结构释放。通过BMB－MM结构既能实现红外敏感，又能调制和输出读出可见光 信号 ，提高填充因子并具有较好的热－机械响应特性和 噪声等效温差 特性。，下面是一种光读出非致冷红外成像阵列器件及其制作方法专利的具体信息内容。
1、一种光读出非制冷红外成像阵列器件，其特征在于：
1)由硅衬底上(3)一系列像素单元组成，每个像素单元由两个锚柱(6)、 两条单层材料的绝热梁(5)，一个双层材料的“双材料梁-微镜一体化”结 构(4)和一个红外吸收的共振腔(7)构成；
2)锚柱(6)立于硅衬底(3)上，支撑像素单元，两条绝热梁(5)一 端与锚柱(6)相连接，另一端与“双材料梁-微镜一体化””结构(4)相 连接，像素单元与硅衬底之间的间隙构成了红外吸收共振腔(7)；
3)所述的“双材料梁-微镜一体化”结构是将双材料梁与微镜结构集成 在一起。
2、按权利要求1所述的光读出非制冷红外成像阵列器件，其特征在于 所述的红外吸收共振腔的高度随着探测红外目标的波长范围来做调节，为吸 收红外波长的四分之一。
3、按权利要求1所述的光读出非制冷红外成像阵列器件，其特征在于 所述的双材料梁-微镜一体化是由两种热膨胀系数不同的材料组成，其中一 种材料为吸收红外辐射使像素单元的温度升高材料，另一种材料为能反射可 见光的材料。
4、按权利要求1或3所述的光读出非制冷红外成像阵列器件，其特征 在于所述的双材料梁-微镜一体化结构中吸收红外辐射像素单元的温度升高 的材料为SiNx、NiCr或SiO2中一种；所述的能反射可见光的材料为Al或 Au。
5、按权利要求1所述的光读出非制冷红外成像阵列器件，其特征在于 所述的绝热梁材料为SiNx、SiO2或SiC。
6、按权利要求1或5所述的光读出非制冷红外成像阵列器件，其特征 在于所述的绝热梁材料选择与双材料梁-微镜一体化结构中红外吸收层相同 的材料。
7、制作如权利要求1所述的一种光读出非制冷红外成像阵列器件的方 法，其特征在于：首先在硅衬底上制作出锚柱，然后根据所选牺牲层腐蚀法 是否对硅材料有破坏作用而选择是否生长保护层和选择哪种材料作保护层， 以使最后安全释放结构；生长牺牲层，并使之表面平整；生长结构材料，并 使之图形化；选择合适的腐蚀方法去除牺牲层材料，并使结构安全释放。
8、按权利要求7所述的一种光读出非制冷红外成像阵列器件的制作方 法，其特征在于制作步骤是：
a)取表面平整的硅片，利用湿法腐蚀或干法刻蚀出锚柱(6)，所述的 湿法腐蚀法是先生长屏蔽腐蚀液的掩模层，利用光刻技术在掩膜层上形成所 需形状，再用腐蚀液腐蚀裸露的硅，并根据腐蚀速率控制腐蚀时间。腐蚀结 束后去掉掩模，形成所需高度的锚柱；所述的干法刻蚀法是先生长屏蔽干法 刻蚀的掩模层，利用光刻技术在掩膜层上形成所需形状，再用干法刻蚀裸露 的硅，并根据刻蚀速率控制刻蚀深度，刻蚀结束后去掉掩模，形成所需高度 的锚柱。
b)生长出的结构释放时保护硅锚柱和衬底的保护层(8)；
c)生长牺牲层材料(9)；生长方法为化学气相沉积的方法；
d)去掉多余的牺牲层材料，使锚点区域和非锚点区域选用化学机械抛 光的方法，形成平整的表面；
e)生长作为像素结构的红外吸收材料(10)，同时也作为绝热梁材料(5)； 材料的生长方法选用化学气相沉积、溅射或蒸发的方法；
f)生长可见光反射材料(11)；生长方式有蒸发、溅射或电镀；
g)利用光刻胶作为掩模，在可见光反射材料上采用湿法腐蚀和干法刻 蚀的方法形成所需形状，利用光刻技术在掩模上形成所需的形状，利用材料 对应的腐蚀液进行湿法腐蚀，或者干法刻蚀出所需的形状；
h)利用步骤(g)中的掩模，湿法腐蚀或干法刻蚀红外吸收材料形成图 形，湿法腐蚀是选用红外吸收材料对应的腐蚀液进行腐蚀，干法刻蚀是利用 深反应离子刻蚀、反应离子刻蚀或离子束刻蚀等方法刻蚀出所需图形，腐蚀 或刻蚀完毕后，形成BMB-MM结构(4)；
i)利用光刻胶作掩膜保护住BMB-MM结构(4)，湿法腐蚀或者干法刻 蚀掉多余的可见光反射材料，形成绝热梁(5)，然后去除掩模；
j)利用XeF2各向同性腐蚀牺牲层材料，依靠保护层的保护，像素单元 被安全释放，或用湿法腐蚀或超临界干燥的方法进行结构的释放；结构释放 后，像素与衬底之间形成所需高度的红外吸收共振腔(7)。
9、按权利要求8所述的光读出非制冷红外成像阵列器件的制作方法， 其特征在于不生长步骤(b)中保护层(8)，且步骤(j)的释放结构为利用 氧离子灰化的方法、丙酮或光刻胶去胶溶液去除有机牺牲层材料，并利用超 临界干燥方法实现安全释放。
10、按权利要求8所述的光读出非制冷红外成像阵列器件的制作方法， 其特征在于利用XeF2各向同性腐蚀牺牲层材料，释放像素单元，或用牺牲 层材料对应的湿法腐蚀液腐蚀或超临界干燥的方法进行结构释放。
技术领域
本发明涉及一种基于MEMS(Micro-electro-mechanical system)技术和 双金属效应的光读出非致冷红外成像阵列器件，包括器件中像素单元的结构 以及其制作工艺，属于红外成像领域。
背景技术
而双金属效应是当双金属梁温度升高时，由于材料间热膨胀系数的差异， 会引起梁的弯曲。在光读出红外成像器件中，像素单元会吸收红外辐射引起温 度的升高，导致双材料梁的弯曲。将这种由红外吸收产生的机械信号采用光学 读出的方式可以实现对红外目标的成像。
MEMS技术制作的微米量级的双材料梁，具有优异的热-机械性能。光 读出的微机械红外成像的研究始于Manalis等人在1997年报道的采用Si/Al双 材料悬臂梁制作的光学读出红外成像阵列器件 (S.R.Manalis，S.C.Minne，C.F.Quate，et al.Two-dimensioned Micromechanical Bimorph Arrays for Detection of Thermal Radiation，Appl.Phys.Lett.，Vol.70，1997：3311-3313)，此后出现了基于不同光学 读出方式的不同结构的红外成像阵列器件。1999年，Majumder等人提出了 一种被称为MIRROR反射镜的光栅衍射型红外探测阵列器件(M.Mao， T.Perazzo，O.Kwon，and A.Majundar.Direct-view uncooled micro-optomechanical camera.Appl.Phys.Lett.，vol 74，1999：3567-3569)；张流强 提出了迈克耳逊干涉型红外探测阵列器件(liuqiang Zhang，Gengqing Yang， Design and FEM Simulation：All-light-processing infrared image transducer.SPIE vol.3878，1999：293-301)；冯飞等人提出了法布利-泊罗微腔红外探测阵列器件 (Feng Fei Jiao Jiwei，Xiong Bin and Wang Yuelin，A novel All-Light Optically Readable Thermal Imaging Sensor Based on MEMS Technology.The second IEEE international conference on sensors，Toronto，Canada.October 22-24，2003：513-516)；日本的Nikon公司(T.Isahizuya，J.Suzuki，et al.Optically Readable Bimaterial Infrared Detector，Proceeding SPIE 4369，2001：342-349)、美 国的橡树岭国家实验室(L R Senesac.J L Corbeil，S Rajic，et al.IR imaging using uncooled microcantilever detectors，Ultramicroscopy 97(2003)：451-458) 和中国科技大学(DUAN Zhi-Hui，ZHANG Qing-Chuan，WU Xiao-Ping，et al. Uncooled Optically Readable Bimaterial Micro-Cantilever Infrared Imaging Device，chin.phys.lett.2003，Vol.20，No.12：2130-2132)等分别提出了不同结构 的反射型光读出方式的红外成像器件。
在以往报道过的光读出红外成像阵列器件中，采用的结构大多由以下三 部分组成：微镜、双材料梁和绝热梁。微镜是由能够吸收红外辐射的材料和 能够反射可见光信号金属材料构成的一个双层膜结构：双材料梁的一端与微 镜相连，另一端与绝热梁相连，由两种热膨胀系数相差较大的材料组成。当 微镜吸收红外辐射并将热量传递给双材料梁时，由于双金属效应，双材料梁 会发生弯曲；锚点与双材料梁之间的绝热梁的作用是防止热量过快的散失。 以往的像素单元结构中，一方面为了获得高性能，大都采用数目不等的弯折 梁结构，因此在加工精度不是很高的情况下，填充因子一般不高；另一方面， 为了提高填充因子，微镜的面积必须较大。而微镜的面积的增大也会使梁增 长，降低了器件的机械性能，并且不符合当前红外成像阵列器件的“小像素、 大阵列”的发展趋势。
发明内容
本发明提供的红外成像阵列器件是由一系列固定在硅衬底上的像素单 元组成。每个像素单元包括硅衬底、两个锚柱、两条单层材料的绝热梁、一 个双层材料的“双材料梁-微镜一体化”结构(BMB-MM)和一个红外吸收 共振腔。这种结构与上述介绍的其它同类型器件结构的主要区别在于其含有 的BMB-MM结构。该结构既能吸收红外辐射，又能通过双金属效应对红外 辐射敏感，从而调制并输出可见光信号。即用BMB-MM这个结构实现了其 它器件结构中用两个结构——双材料梁和微镜实现的功能。
像素单元结构具体为，两个锚柱立于硅衬底上，两条绝热梁一端与锚柱 相连接，另一端与“双材料梁-微镜一体化”(BMB-MM)结构相连接。 BMB-MM结构是由两种热膨胀系数存在差异的材料组成。并且其中一种材 料能够吸收红外辐射使像素单元的温度升高，可供选择的材料有SiNx、NiCr和SiO2等，但不限于这几种材料；另一种材料要能反射可见光，通常为Al和Au，但不限于这两种材料。吸收红外辐射后，双金属效应使BMB-MM结 构发生弯曲。绝热梁能防止单元内热量过快的散失，减少单元间的串扰， SiNx、SiO2和SiC都是比较好的选择，但也不限于这几种材料。为了工艺上 更加容易实现，绝热梁材料通常选择与BMB-MM结构中红外吸收层相同的 材料。像素结构与硅衬底之间的间隙为红外吸收共振腔，其高度一般为其吸 收红外波长的1/4，例如，若吸收8-14μm的红外辐射，腔的高度可以控制在 2-3.5μm的范围内。可以根据需要制作出大型的m×n像素阵列，而这些像素 阵列的边缘是作为支撑结构硅材料。
所制得的红外成像阵列器件的像素单元，通过BMB-MM结构中红外吸 收材料吸收入射的红外辐射，使温度升高，由于双金属效应使BMB-MM结 构发生弯曲，使其反射的可见光的方向发生变化。在成像系统中能够引起输 出光强的变化，从而达到成像的目的。
本发明提供的这种光读出非致冷红外成像器件的制作方法是基于 MEMS加工工艺的。其主要步骤包括：首先在硅衬底上制作出锚柱，然后根 据所选牺牲层腐蚀法是否对硅材料有破坏作用而选择是否生长保护层和选 择哪种材料作保护层，以使最后安全释放结构；生长牺牲层，并使之表面平 整；生长结构材料，并使之图形化；选择合适的腐蚀方法去除牺牲层材料， 并使结构安全释放。具体特征在于：
(1)锚柱的制作，可以利用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法。干法刻蚀和 湿法腐蚀都是通过控制蚀刻时间，从而得到所需高度的锚柱
(2)选择并生长保护层材料。根据牺牲层的不同，对于在去除牺牲层 材料时，腐蚀液或气体是否对硅衬底和锚柱产生破坏作用的情况，选择是否 生长保护层材料。如果会产生破坏作用，需要生长保护层材料，以保证结构 释放时使硅衬底和锚柱免受腐蚀液或腐蚀气体的侵蚀；不会对硅衬底和锚柱 产生破坏作用时，则不需要生长保护层材料。，
(3)生长牺牲层材料并平坦化，使牺牲层的高度与锚柱一致，得到平 整的表面。
(4)生长结构层的两层材料，可以分别利用干法刻蚀或湿法腐蚀技术 得到像素单元结构图形。
(5)结构的释放，是通过对牺牲层材料进行腐蚀，使结构得到安全释 放。
由此可见，本发明通过“双材料梁-微镜一体化”(Bi-material beam micro-mirror integrated structure，BMB-MM)特征结构制作红外成像阵列器 件，即将双材料梁和微镜结构集成在一起，通过单一结构既能实现红外敏感， 又能调制和输出读出可见光信号。这种结构由于减少了梁的条数，增大了微 镜在像素单元中所占面积的比率，提高了填充因子，并且具有较好的热-机 械响应特性和噪声等效温差特性。
附图说明
图1红外成像阵列器件的整体结构图：(a)正视图，(b)剖面图。
图2红外成像阵列器件像素单元结构图：(a)正视图，(b)测视图。
图3本发明的实施例制作过程示意图：
(a)制作锚柱
(b)生长保护层材料
(c)生长牺牲层
(d)去掉多余的牺牲层
(e)淀积红外吸收材料
(f)淀积可见光反射材料
(g)干法刻蚀或湿法腐蚀可见光反射材料
(h)干法刻蚀或湿法腐蚀红外吸收材料
(i)形成绝热梁
(j)释放结构
图中：1.红外成像阵列器件的硅衬底和边框 2.像素阵列 3.像素单元的硅 衬底 4.“双材料梁—微镜一体化”(BMB-MM)结构 5.绝热梁 6.锚柱 7. 红外吸收共振腔 8.结构释放保护硅锚柱和衬底的保护层 9.牺牲层材料 10. 结构中的红外吸收层 11.结构中的可见光反射层
具体实施方式
实施例1
a)取表面平整的硅片，利用湿法腐蚀或干法刻蚀出锚柱6。湿法腐蚀法 是，先生长屏蔽腐蚀液的掩模层，利用光刻技术在掩膜层上形成所需形状， 再用腐蚀液腐蚀裸露的硅，并根据腐蚀速率控制腐蚀时间。腐蚀结束后去掉 掩模，形成一定高度的锚柱。可选用的硅的湿法腐蚀液很多，例如KOH溶 液、EDP和TMAH(腐蚀液不限于这几种)，掩模材料可以选择SiO2，SiNx和Au/Cr等(掩模材料不限于这几种)；干法刻蚀法是，先生长屏蔽干法刻 蚀的掩模层，利用光刻技术在掩膜层上形成所需形状，再用干法刻蚀裸露的 硅，并根据刻蚀速率控制刻蚀深度。刻蚀结束后去掉掩模，形成一定高度的 锚柱。可选用的硅干法刻蚀方法有深反应离子刻蚀(DRIE)、反应离子刻蚀 (RIE)和离子束刻蚀等，掩模材料可以选择SiO2，光刻胶和Au/Cr等(干 法刻蚀不限于以上提到的种类)如图3(a)所示。
b)生长出的结构释放时保护硅锚柱和衬底的保护层8。保护层材料可以 选择SiO2、SiNx等，但不限于这几种材料。如图3(b)所示
c)生长牺牲层材料9。牺牲层材料可以选择多晶硅、非晶硅、多晶锗和 非晶锗等，生长方法一般为化学气相沉积的方法，但也不限于此种方法。如 图3(c)所示。
d)去掉多余的牺牲层材料，使锚点区域和非锚点区域形成平整的表面， 可选用化学机械抛光的方法，但不限于这种方法。如图3(d)所示。
e)生长作为像素结构的红外吸收材料10，同时也作为绝热梁材料5。 可供选择的材料有SiOx、SiNx、SiOxNy和NiCr等，但不限于这几种材料。 材料的生长方法可以选用化学气相沉积(CVD)、溅射和蒸发的方法，但不 限于这几种生长方法。如图3(e)所示。
f)生长可见光反射材料11。通常选择反光性能好的材料，如Al和Au， 但不限于这两种材料。生长方式主要有蒸发、溅射和电镀等，生长方法不限 于以上提到的种类。如图3(f)所示
g)在可见光反射材料上形成所需形状。通常采用湿法腐蚀和干法刻蚀 的方法。二者都是利用光刻胶作为掩模，利用光刻技术在掩模上形成所需的 形状，利用材料对应的腐蚀液进行湿法腐蚀，或者干法刻蚀出所需的形状。 可供选择的干法刻蚀法有深反应离子刻蚀(DRIE)、反应离子刻蚀(RIE) 和离子束刻蚀等，但不限于这几种。如图3(g)所示
h)利用(g)中的掩模，湿法腐蚀或干法刻蚀红外吸收材料形成图形。 湿法腐蚀是选用红外吸收材料对应的腐蚀液进行腐蚀。干法刻蚀是利用深反 应离子刻蚀(DRIE)、反应离子刻蚀(RIE)和离子束刻蚀等方法刻蚀出所 需图形。干法刻蚀不限于以上提到的几种方法。腐蚀或刻蚀完毕后，会形成 BMB-MM结构4。如图3(h)所示
i)利用光刻胶作掩膜保护住BMB-MM结构4，湿法腐蚀或者干法刻蚀 掉多余的可见光反射材料，形成绝热梁5。然后去除掩模。如图3(i)所示
j)利用XeF2各向同性腐蚀牺牲层材料，由于保护层的保护，像素单元 可以被安全释放。也可以用湿法腐蚀和超临界干燥的方法进行结构的释放。 可选用的湿法腐蚀液有KOH溶液、EDP和TMAH等。结构释放后，像素与 衬底之间形成所需高度的红外吸收共振腔7。如图3(j)所示
实施例2
其具体实施步骤部分除下面所述之外，均与实施例1相同，主要区别在 于：
(1)不生长实施例1中步骤(b)的保护层材料；
(2)将实施例1中步骤(c)中的牺牲层材料改为光刻胶、聚酰亚铵等 有机材料，但不限于这两种材料；
(3)实施例1中步骤(j)释放结构的方法改为：利用氧离子灰化的方 法去除有机牺牲层材料，或者利用有机溶剂，例如丙酮、光刻胶去胶液等， 去除有机牺牲层材料，并利用超临界干燥的方法实现安全释放。
实施例3
其具体实施步骤部分除下面所述之外，均与实施例1相同，主要区别在 于：
(1)将实施例1中步骤(c)中的牺牲层材料改为钨、钛或钼；
(2)实施例1中步骤(j)释放结构的方法改为：利用XeF2各向同性腐 蚀牺牲层材料，由于保护层的保护，像素单元可以被安全释放。也可以用牺 牲层材料对应的湿法腐蚀液腐蚀和超临界干燥的方法进行结构的释放。
实施例4
其具体实施步骤部分除下面所述之外，均与实施例1相同，主要区别在 于：
(1)不生长实施例1中步骤(b)的保护层材料；
(2)将实施例1中步骤(c)中的牺牲层材料改为PSG、BSG、SiO2和 Cu等，但不限于这几种材料；
(3)实施例1中步骤(j)释放结构的方法改为：利用牺牲层对应的湿 法腐蚀液进行湿法腐蚀和超临界干燥的方法实现对结构的安全释放。
通过以上三个实施例所述的步骤制作的红外成像阵列器件像素单元的 结构如图3(j)所示。图中，6为锚柱，每个像素单元通过两个锚柱固定在 硅衬底3上；4为BMB-MM结构，由上层的可见光反射材料和下层的红外 吸收材料组成，即能吸收红外辐射，又能通过双金属效应对红外辐射敏感， 从而调制并输出可见光信号，实现成像的目的；5为绝热梁，它一端与锚柱 连接，另一端与BMB-MM结构想连，其主要作用是支撑BMB-MM结构和 防止吸收的热量过快的散失；7为红外吸收共振腔，位于BMB-MM结构和 硅衬底之间，起到加强吸收红外辐射的作用；8为保护层材料，是在工艺过 程中最后一步——腐蚀牺牲层释放结构时保护硅衬底和锚柱不受破坏，如果 在释放结构时，所用到的腐蚀方法对硅材料没用破坏作用时，这层保护层材 料也可以不用生长。
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